操作系统学习(三) —— CPU调度

第三部分 CPU调度

一、相关基本概念

  • 引入多程序设计,目的是提高计算机资源利用率,尤其是CPU利用率(CPU utilization)。(前面所讲的多程序和多任务的目的就是让多个进程竞争使用资源,从而使CPU利用率提高。)
  • CPU密集 — I/O密集的循环
  • 进程的执行,呈现出CPU运行和I/O等待的交替循环。

注意前面的知识

  • CPU中有READY信号,当收到I/O送来的信号后才会进行读写操作。
  • I/O操作不消耗CPU,而是让CPU闲置了,浪费CPU,因为I/O设备相对于CPU来说速度很慢,CPU要花大部分时间来等待I/O处理数据。

二、CPU调度器

CPU调度器的使命

  • 从内存中一堆准备就绪的进程中(就绪队列中的就绪进程),选取一个进程;
  • 将CPU分配给该进程。
  • 后者也可以由dispatcher完成。
CPU调度器的操作对象.png

由上图我们可以看见,通过CPU 调度器,计算机进程(PCB)有四个去向:
1)留在就绪队列
2)进入CPU
3)等待队列
4)I/O操作

CPU调度器的操作时机

调用CPU调度器的时机,通常发生在:
1)某一进程从执行状态转为等待状态
2)某一进程从执行状态转为就绪状态(图上应为双向箭头)
如果有一个进程进入就绪队列,且进程优先级高,则有可能该优先级高的进程把原先执行队列里的进程抢过来
3)某一进程从等待状态转为就绪状态
如I/O操作完成以后,转回ready queue
4)某一进程终止
进程上下文切换
等等,不限于以上四种,只是举了四个例子(引发调度的时机可能有十几种)。
1,4属于“非抢占式(nonpreemptive)调度”,2,3属于“抢占式(preemptive)调度”。

非抢占式:

进程自愿交出CPU,引起新一轮的调度。

抢占式:

进程被迫交出CPU,引起新一轮的调度。

解释一下第三种情形
本身等待到就绪状态是不需要CPU调度的,由图可知,做完I/O操作,进入ready queue即可。但现在如果有重要或紧迫的进程到达,那么当前进程必须为就绪状态。则强行将CPU调度从等待状态转为就绪状态,并且强行放弃处理现在的运行进程,将CPU立即分配给新到达的进程。故它是一种抢占式调度。

CPU调度器追求目标

  • CPU利用率(CPU utilization)。CPU的利用率就是非空闲进程占用时间的比例,即CPU执行非空闲进程的时间/ CPU总的执行时间。
  • 吞吐率(Throughput) — 单位时间内完成执行的进程数
  • 周转时间(Turnaround time) — 执行某一进程所耗用的CPU累积时间(进程进入就绪队列开始到拿到CPU执行结束为止的累积时间,其间有可能存在时间片到了或者高优先级抢占CPU的情况)
  • 等待时间(Waiting time) — 某一进程等待在就绪队列里面的累积时间(不包括CPU执行时间)
  • 响应时间(Response time) — 某一进程从发出调度请求,到其开始得到CPU调度器响应,其间所经历的时间。

优异的指标,当然是

  • Maximize CPU utilization
  • Maximize throughput
  • Minimize turnaround time
  • Minimize waiting time
  • Minimize response time

三、CPU分配器(Dispatcher)

CPU调度器决定了将CPU分配给谁。后续操作就是,CPU分配器将CPU控制权移交给该进程
操作内容通常包括:

  • 上下文切换(switching context)
  • 从内核态(kernel mode)转移至用户态(user mode)
  • 跳转至用户程序中PC寄存器所指示的位置

注意,分配器的工作是有延迟的,这种属于“无用功”,也就是处理时的额外开销。

四、FCFS调度算法(First-Come,First-Served Scheduling)

  • 这种实现比较简单,先进入就绪队列的进程最先处理。处理方式自然是将这些进程构成一个链表,先处理先进入就绪队列的进程,然后根据next指针一步步往后。
  • Burst time,即中央处理器突发时间。是指CPU从接到命令到开始处理命令所需时间。
FCFS调度算法处理进程.png
  • 如图可见,假设只有单核CPU的情况下,同时在0时刻进入P1,P2,P3三个进程。但同时只能有一个进程进行CPU处理(由具体的CPU调度算法控制)。
    甘特图:下方的数字表示时间,表示横向时间轴。上面表示进程的使用过程P1,P2,P3。
  • 周转时间:
    P1:0-24,24
    P2:0-27,27
    P3:0-30,30
  • 等待时间:
    P1:0,P2:24,P3:27,平均等待时间为(0+24+27)/3 = 17。

假设进程到达就绪队列的顺序:P2,P3,P1,则FCFS调度算法的调度结果有显著变化,如甘特图:

P2,P3,P1顺序的等待时间甘特图.png
  • 等待时间(某一进程在就绪队列里面的等待时间) P1=6,P2=0,P3=3。平均等待时间(6+0+3)/3 = 3,改善非常多。

启示:短进程先于长进程,减少等待时间。
问题:时间波动很大,不稳定。

五、Shortest-Job-First(SJF)调度算法(最短作业优先算法)

算法要求:

  • 进入就绪队列的进程预告需要多长CPU时间才能完成本次执行

算法思想:

  • 选取就绪队列中,“需要CPU时间”最短的进程。

举例:非抢占式SJF

非抢占式SJF.png
  • 首先P1于0时刻进入就绪队列,因此先交于CPU处理。处理时间为7秒。
  • 之后P2于2时刻进入就绪队列,由于我们研究的是非抢占式队列,因此它先在就绪队列里待着,不进入CPU。
  • P3,P4在4,5时刻进入,同样的,由于P1并没有到Burst time,因此P2,P3,P4都在就绪队列没有进入CPU处理。
  • 7秒时,P1结束处理。此时先处理P3因为其时间最短。1秒后,交出CPU重新调度。此时剩下P2和P4。
  • 由于P2和P4时间一样,假设使用FCFS算法。先处理P2,再处理P4。整个甘特图如图所示。

平均等待时间为
(0+(7-4)+(8-2)+(12-5))/4 = 4
(上面我们都假设CPU利用率为100%)

结论:由等待时间可知,SJF优于FCFS。

举例:抢占式SJF算法

抢占式SJF算法.png
  • 基本理论为:更短时间的进程抢占更长时间的进程。
  • 首先,P1于0时刻进入CPU,执行2秒。
  • 紧接着,P2时间更短,进入CPU,抢占P1的CPU,又执行2秒。
  • P3于4时刻进入就绪队列,Burst time更短,抢占P2的CPU,执行一秒结束。
  • P4于5时刻进入CPU,Burst time为4,由于P2已经执行了2秒,因此它的Burst time更短,所以先执行P2,P2执行完毕,交出CPU。
  • 由于P1还剩下5秒执行时间,因此先执行P4,最后执行P1。
  • 周转时间(16+5+5+11)=37

平均等待时间 = (9+1+0+2)/4 = 3。
平均等待时间算法可以由(周转时间-Burst time)得出。
具体写下来就是:
((16-7)+(5-4)+(1-1)+(6-4))=3,即(周转时间-Burst time)。

SJF算法的缺点

  • CPU Burst time必须很准确,才能确定这种算法。然而实际情况下基本不可能预估准确时间。(预先通报是不可能做到的,这是一个致命问题,导致SJF算法无法实现)。

六、优先权法(Priority Scheduling)

具体要求:

  • 每个进程都有一个优先数(priority number),通常是个整型数。
  • 选取就绪队列(双向链表)中,优先权最高的进程。
  • (最小优先数 = 最高优先权)
    1)Preemptive
    2)Nonpreemptive
  • 当优先权定义为进程“需要的CPU时间”时,SJF算法就是优先权法。

优先权算法的一个缺陷:

  • Issue — 进程饥饿(Starvation)
    优先权较低的就绪进程可能永远得不到CPU
  • Solution — Aging思想
    就绪进程等在就绪队列里的时间,折算叠加到进程优先权。因此,等待在就绪队列里的进程,其优先权单调递增。
  • 同时如果就绪队列进程过多,那么优先权低的进程也很难得到处理。

七、轮转法(Round Robin,RR)

轮转法是交互式操作系统必要的条件。(先了解相关名词)

具体步骤:

  • 每个就绪进程获得一小段CPU时间(时间片,time quantum),通常10ms - 100ms
  • 时间片用毕,这个进程被迫交出CPU,重新挂回到就绪队列
  • 当然,进程在时间片用毕之前其Burst Cycle结束,也(主动)交出CPU
  • 假设n个就绪进程,时间片q,每个就绪进程得到1/n的CPU时间。任何就绪进程最多等待(n-1)q单位时间。

举例:RR算法,时间片设定为20个单位

RR算法实例.png
  • 由图可见,时间片一到,只要不是在时间片内处理完进程,那么就将交出时间片。然后回到了链表的末尾。
  • 分配给同一个进程(只有一个进程)和分配给不同进程的情况有一个细微的区别:不需要做上下文切换(进程保存与转移),也就是说不需要额外开销。

轮转法的问题
当时间片到了以后,一个进程要交出CPU。如果交给其他进程,则要做一次进程上下文切换。

时间片与上下文切换时间的关系.png

由图进行性能分析

  • 如果q很大,那么就很像FIFO算法。
  • 如果q很小,那么上下文切换频繁,则额外开销太大,q必须远远大于上下文切换时间。

周转时间受时间片的影响

周转时间受时间片的影响举例.png
  • 复习:周转时间 — 执行某一进程所耗用的CPU累积时间(进程进入就绪队列开始到拿到CPU执行结束为止的累积时间,其间有可能存在时间片到了或者高优先级抢占CPU的情况)
  • 当时间片大于等于6时,平均周转时间稳定在10.5。因此建议用6或者6以上的时间片长度。

轮转法还有一个好处,就是他的响应时间一定优于前面的SJF。因为时间片的存在。

八、多层队列(Multilevel Queue)

前面我们将就绪队列看成一个队列。但是队列里进程诉求是不一样的,有的进程是大块进程运算,不要求马上响应,只需要做完即可。而有的Burst Cycle非常短,但需要响应后立马做完(例如按钮)。因此这些进程如果放入一个队列,将非常不合理。

例如:

  • 要求交互的进程,在前台队列。
  • 可以批处理的进程,在后台队列。
  • 每个队列都有其自己的调度算法,例如:
    1)前台就绪队列 — RR
    2)后台就绪队列 — FCFS

多层队列调度实例:

多层队列调度实例.png
按优先级分别为:
  • 系统进程队列,要实时响应。
  • 交互进程队列(要求响应非常及时)—— RR
  • 交互编辑队列(人输入键盘,移动鼠标等,响应时间可能半秒也可以,对操作系统来说已经很长了。交互要求不是很高)—— RR
  • 批处理进程队列,不需要交互。—— FCFS
设计多层队列:
  • 就绪进程进入就绪队列时,决定去哪儿?
    答:看上图,决定他是属于哪一层的队列。
  • CPU怎么在队列间分配?
    1)固定优先权法。例如,先前台队列,再后台队列。
    2)时间片办法,例如,80%的CPU时间给前台队列,20%CPU时间给后台进程。

九、多层反馈队列(Multilevel Feedback Queue)
基本上类似于多层队列算法,另外考虑了进程可以在就绪队列之间迁移

  • 如上图,可能第二层交互时由文本编辑转换到程序编译(要几秒或几分钟),于是第二层第三层可以互换。

多层反馈队列实例

多层反馈队列实例.png
  • 图上三层队列:
    1)Q0 — 用RR算法,时间片8ms
    2)Q1 — 用RR算法,时间片16ms
    3)Q2 — 用FCFS算法。
  • 调度场景
    1)一个就绪进程进入Q0层,当它分配到CPU,可执行8ms。如果它8ms后没有执行完毕,则迁移至Q1层。否则,它离开就绪队列该干嘛干嘛。
    2)在Q1层,当它分配到CPU,可执行16ms。如果它16ms后没有执行完毕,则迁移至Q2层。否则,它离开就绪队列,该干嘛干嘛。
    (是否合理按具体需求来,此处只是一个假设)
设计多层反馈队列
  • 队列个数
  • 每层队列它自己的调度算法
  • 一个算法,将就绪进程升级至高层次队列
  • 一个算法,将就绪进程降级至低层次队列
  • 一个算法,决定当一个就绪进程进入就绪队列时,去哪层

如果算法设计OK,那么整体队列效率高,overhead就会降低。

实时调度

分为两点

  • 硬实时系统 — 调度机制能够确保一个关键任务在给定时间点前完成(快到基本上实时完成,实时性按照具体需要来)。
  • 软实时计算 — 调度机制尽量给予关键任务最高优先级,尽量在预定时间点前完成。

调度算法这两点表明:
1)硬实时要求在某一时间点前必须做完,要求比较苛刻。
2)软实时要求会把关键任务尽可能提前做,但做不做完无法保证。

调度算法评估

设定指标,指标完成好,则算法优秀。

  • 确定模型法 — 采用事先设定的特定负荷,计算在给定负荷下每个算法的性能。(演示用可以,但特定负荷很难设置,因为具体进程很难设定)
  • 排队模型(Queueing models)(模型如果设置不得当,模型如果不准,那么调度评估就很难实现)
  • 编程实现该算法,观察其执行情况(效果较差,因为哪怕效果不好,你算法已经做好了)
  • 仿真
仿真
仿真模型.png
  • 思路:测试数据采集可以来自于实际情况,而算法是放在一个假的系统里,让实际数据馈送到假的操作系统中去。

那么综上,CPU调度的内容就差不多结束了,接下来将要学习的会是线程的知识了。

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